JP7362008B1 - 消弧板および遮断器 - Google Patents
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Abstract
Description
接点間に生じるアークを消弧する消弧板において、
熱膨張率5ppm/K以下で無機水和物を含有しないセラミックから成る第1消弧板と、
無機水和物を含有する、樹脂あるいはセラミックからなる第2消弧板と、が、前記消弧板の面内方向において隣接して配設されて構成され、
前記第2消弧板は、1000℃のアークに暴露した際の水蒸気発生量あるいは熱分解ガス発生量の少なくとも一方が、前記消弧板1gあたり、1×10^-5mol以上に構成される、
ものである。
また、本願に開示される遮断器は、
電流が通電される導体と接続される、互いに切離可能な前記接点としての第1接点および第2接点と、前記第1接点と前記第2接点とが離間される電流遮断路において前記第1接点と前記第2接点との間に生じるアークを、前記第1接点および前記第2接点から離れる方向に誘導するように延在する第1アークランナーおよび第2アークランナーと、を備えた遮断器において、
前記第1アークランナーは、その一方の端部が前記第1接点側に配設され、
前記第2アークランナーは、その一方の端部が前記第2接点側に配設され、
前記第1アークランナーおよび前記第2アークランナーは、その他方の端部間の間隔が、前記第1接点および前記第2接点から離れるに従い広がるように配設され、
上記のように構成された前記消弧板が、該消弧板の前記第1消弧板側が前記第1接点および前記第2接点側に位置すると共に、その面内方向が、前記第1アークランナーと前記第2アークランナーとの間のアークの電路方向に沿うように配設される、
ものである。
また、本願に開示される遮断器によれば、消弧性能に優れる遮断器が得られる。
図1は、実施の形態1による消弧板10の模式図である。
図2は、実施の形態1による消弧板10を備えた気中遮断器100の断面模式図である。
図3は、実施の形態1による消弧板10の他の構成例を示す模式図である。
図4は、実施の形態1による消弧板10の他の構成例を示す模式図である。
図5は、実施の形態1による消弧板10の他の構成例を示す模式図である。
図6は、実施の形態1による消弧板10の他の構成例を示す断面模式図である。
なお、図において、消弧板10の左右方向、上下方向、奥行き方向をそれぞれ、X、Y、Zとして示す。
本実施の形態の遮断器としての気中遮断器100は、配電設備などにおいて用いられ、異常発生時などに電流を遮断して、設備を保護するものである。
図1に示すように、本実施の形態1に係る消弧板10は、熱膨張率5ppm/K以下で無機水和物を含有しないセラミック板からなる第1消弧板11と、無機水和物を含有する樹脂板もしくはセラミック板からなる第2消弧板12とを、消弧板10の面内方向において隣接して配設し、接続した構成からなる。
本実施の形態2の気中遮断器100は、電気接点の接触、開離により電流を断続させる接点部20と、この接点部20の開極操作を行う操作機構部30と、接点間に生じたアークを消弧する消弧室50と、を備える。
固定接点21は、電流が通電される主回路としての上部導体1に接続されている固定接触子23にロウ付けにより固定されている。また、可動接点22は、電流が通電される主回路としての下部導体2に接続されている可動接触子24にロウ付けにより固定されている。
可動接触子24が回転軸33を中心に回動することにより、可動接点22と固定接点21とが接触又は開離する仕組みとなっている。接点同士を接触させることにより、可動接触子24に接続される下部導体2及び固定接触子23に接続される上部導体1を通じて電力が電源から供給される。通電の信頼性を確保するために可動接点22は固定接点21に規定の接触圧力で押さえつけられている。
また可動接点側アークランナー52は、その一方の端部が可動接点22側に配設され、その他方の端部が消弧室50の上方向Y側に配設されている。
図に示すように、固定接点側アークランナー51および可動接点側アークランナー52の他方の端部間の左右方向Xの間隔は、消弧室50の上方向Y側に向かうに従い広がるように配設されている。このように固定接点側アークランナー51および可動接点側アークランナー52は、固定接点21と可動接点22との間に生じるアークを、固定接点21および可動接点22から離れるに従い引き延ばすように、消弧室50の上方向Yに向かって延在して形成されている。
なお、以降の説明において、固定接点側アークランナー51と、可動接点側アークランナー52のそれぞれを区別しない場合は、単にアークランナーと称して用いる。
短絡などが起こり回路に大きな過電流が流れると、下部導体2に配置された過電流検出器31が過電流を検出する。過電流が検出されると、電流通電時に可動接触子24を保持していたラッチ32が解除されて、回転軸33を中心に可動接触子24が時計方向に回転し、可動接点22と固定接点21とが開極する。可動接点22と固定接点21との開極によって接点間に発生したアークは、それぞれ固定接点側アークランナー51および可動接点側アークランナー52に転流する。固定接点側アークランナー51および可動接点側アークランナー52に転流したアークは、図2においてアークA1、A2として示すように、上方向Y側に上昇しながら左右方向Xに引き延ばされることでアーク電圧が上昇し、消弧される。
一般に、気中での消弧では、アークの引き延ばしと、アークの冷却との二つのメカニズムによって、アーク電圧を高めることが重要となる。アークの引き延ばしは、前述のように、消弧室50内の上方向Yに向かって延在するように設けられたアークランナーに、アークが転流し上昇することで、引き延ばされる。この時、アーク電流が大きい場合には、アークの上昇力も大きく、十分にアークを引き延ばすことが比較的容易にできる。しかしながら、アーク電流が小さい領域では、アークの上昇力が小さいため、アークの上昇を阻害する外的な要因が発生した場合に、十分にアークが引き延ばせない場合がある。
このように発生したアークA1は、アークA1の電路に対して、その表面が沿うように配置された第1消弧板11に接しながら、冷却され、引き延ばされる。
よって、本実施の形態1の消弧板10は、接点からアークランナーへの転流によるアークの引き延ばしを阻害せず、かつ発生ガスによるアーク冷却性能に優れたものとなる。
空隙率が20%以上であることで、消弧板の高温域での熱伝導率が良好になり、アークの冷却性能がより向上することが期待できる、一方、空隙率が50%を超えると、熱伝導率はより向上するが、消弧板の機械強度が著しく低下し、消弧板として使用した場合に遮断器の接点開極時の機械的衝撃によって、消弧板が破損してしまう恐れがある。
さらに、消弧板10の機械的な強度を補うために、図6に示す消弧板10のように、消弧板10のアークと接弧する面と反対の面に、補強板13を設けても良い。
まず、第1消弧板11を製造する。第1消弧板11に使用するセラミックの原料粉末と樹脂バインダーと分散剤と水を混合したスラリーを作製する。
分散剤としては、水系スラリーに使用可能なものであれば特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができる。分散剤の例としては、アルキル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルフォン酸塩、反応性界面活性剤、脂肪酸塩、ナフタレンスルフォン酸ホルマリン縮合物などの陰イオン性界面活性剤;アルキルアミン塩、第四級アンモニウム塩、両性界面活性剤であるアルキルベタイン、アルキルアミンオキサイドなどの陽イオン性界面活性剤;ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレン誘導体、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸ヒマシ油、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アルキルアルカノールアミドなどの非イオン性界面活性剤が挙げられる。これらは、単独又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
水としては、特に限定されず、純水、RO水、脱イオン水などを用いることができる。
スラリーを調製する際の混合は、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いて行うことができる。混合方法としては、ニーダー、ボールミル、遊星ボールミル、混練ミキサー、ビーズミルなどを用いた方法が挙げられる。
次に、作製した顆粒を所望の形状の金型を用いて、プレス成型し、成型体を作製する。次に、成型体を電気炉で、所望の焼結温度で焼結させることで、第1消弧板11を作製する。必要に応じて、焼結後に形状の加工を実施することもできる。
無機フィラー、無機水和物、無機系の結合剤を所望の割合で配合し混合物を作製する。混合方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知のものを用いることができ、ニーダー、ボールミル、遊星ボールミル、混練ミキサー、ライカイ機等を用いることができる。次に、作製した混合物を金型を用いて、加熱しながらプレス成型し、第2消弧板12を作製する。加熱温度は、無機結合剤が溶融する程度の温度であれば良く、選択した無機結合剤の種類によって、適宜調整すれば良い。具体的には、200℃以上400℃以下の範囲であることが好ましい。また、選択した無機結合剤の組成によっては、無機結合剤の反応を完了させるため、必要に応じて、プレス成型後に、作製した第2消弧板12を電気炉で熱処理することもできる。熱処理の温度としては、300℃以上500℃以下であることが好ましい。さらに、必要に応じて、成型後または熱処理後に、形状の加工を実施することもできる。
図7において、No.A~Gは、上記水銀圧入式ポロシメータによって測定された空隙率が各々14%~65%に、熱膨張率が4.5~9ppm/Kになるように調整されたセラミック焼結体である。
図9は、比較例における消弧板のセラミック板に用いた各種原材料を示す図である。
無機水和物として、含水ケイ酸マグネシウムを用い、無機フィラーとして、結晶シリカ、アルミナ、酸化亜鉛を用い、無機系の結合剤として、ホウ酸、リン酸を用いた。
第1消弧板として、セラミック焼結体No.Cを用い、機械強度の評価用試験片および、遮断性能評価用の試験サンプルとして、評価用気中遮断器の消弧室の接点に近い側の形状に合わせた形状の試験サンプルをそれぞれ作製した。次に、第2消弧板の原材料である、含水ケイ酸マグネシウムを50質量部、結晶シリカを2質量部、アルミナを27質量部、酸化亜鉛を3質量部、ホウ酸を3質量部、リン酸を15質量部配合し、ライカイ機を用いて混合することで混合物を作製した。次に、得られた混合物を金型を用いて、400℃に加熱しながらプレス成型し、第2消弧板を得た。第2消弧板の形状は、評価用気中遮断器の消弧室の接点から遠い側の形状に合わせた形状とした。
第1消弧板として、セラミック焼結体No.Aを用いたこと以外は実施例1と同様にした。
[実施例3]
第1消弧板として、セラミック焼結体No.Bを用いたこと以外は実施例1と同様にした。
[実施例4]
第1消弧板として、セラミック焼結体No.Dを用いたこと以外は実施例1と同様にした。
[実施例5]
第1消弧板として、セラミック焼結体No.Eを用いたこと以外は実施例1と同様にした。
[実施例6]
第1消弧板として、セラミック焼結体No.Fを用いたこと以外は実施例1と同様にした。
[実施例7]
第2消弧板の原材料である、含水ケイ酸マグネシウムを35質量部、結晶シリカを5質量部、アルミナを35質量部、酸化亜鉛を7質量部としたこと以外は実施例1と同様にした。
[実施例8]
第2消弧板の原材料である、含水ケイ酸マグネシウムを20質量部、結晶シリカを8質量部、アルミナを35質量部、酸化亜鉛を9質量部としたこと以外は実施例1と同様にした。
セラミック焼結体No.Cを用いた第1消弧板11のみで、遮断性能評価用の試験サンプルを作製した。
[比較例2]
実施例1の第2消弧板と同様の組成の第2消弧板のみで、遮断性能評価用の試験サンプルを作製した。
[比較例3]
第1消弧板11として、セラミック焼結体No.Gを用いたこと以外は実施例1と同様にした。
[比較例4]
第2消弧板12を用いて、評価用気中遮断器の消弧室の接点に近い側の形状に合わせた形状の試験サンプルを作製し、第1消弧板11を用いて、評価用気中遮断器の消弧室の接点から遠い側の形状に合わせた形状の試験サンプルを作製したこと以外は実施例1と同様にした。
上記実験結果に基づく消弧板を用いて構成されたものであり、さらに、
電流が通電される導体と接続される、互いに切離可能な前記接点としての第1接点および第2接点と、前記第1接点と前記第2接点とが離間される電流遮断路において前記第1接点と前記第2接点との間に生じるアークを、前記第1接点および前記第2接点から離れる方向に誘導するように延在する第1アークランナーおよび第2アークランナーと、を備えた遮断器において、
前記第1アークランナーは、その一方の端部が前記第1接点側に配設され、
前記第2アークランナーは、その一方の端部が前記第2接点側に配設され、
前記第1アークランナーおよび前記第2アークランナーは、その他方の端部間の間隔が、前記第1接点および前記第2接点から離れるに従い広がるように配設され、
上記のように構成された前記消弧板が、該消弧板の前記第1消弧板側が前記第1接点および前記第2接点側に位置すると共に、その面内方向が、前記第1アークランナーと前記第2アークランナーとの間のアークの電路方向に沿うように配設される、
ものである。
そして、消弧板は、その第1消弧板側が接点側に位置するように配設され、その面内方向は、アークを引き延ばすように配設されたアークランナー間のアークの電路方向に沿うように配設されており、アークの電路を分断するように配置されていない。
このように、熱膨張率5ppm/K以下で、無機水和物を含有しないセラミックから成る本実施の形態の消弧板、遮断器は、接点からアークランナーへの転流によるアークの引き延ばしを水蒸気ガスの発生により阻害せず冷却機能に優れるため、消弧性能に優れる。また、アークに接弧した際の熱衝撃に強く、繰り返しの使用に耐える信頼性の高い消弧版となる。
そして、上記第1消弧板に隣接して、無機水和物を含有する樹脂あるいはセラミックからなる第2消弧板が配設されている。これにより、上記第1消弧板により冷却され、アークランナーにより引き延ばしされたアークは第2消弧板12に接弧され、この第2消弧板から発生した水蒸気または熱分解ガスにより更に冷却され、アーク電圧が高められるため、更に消弧板の消弧性能が向上する。
前記消弧板における前記第1消弧板と前記第2消弧板との境界は、前記第1アークランナーおよび前記第2アークランナーの一方の端部と、他方の端部との間の第1範囲内に設けられる、
ものである。
前記第1消弧板と前記第2消弧板との前記境界の位置は、前記第1アークランナーと前記第2アークランナーとの間に生じるアークのアーク電圧に基づき、前記第1範囲内で調整される、
ものである。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
Claims (11)
- 接点間に生じるアークを消弧する消弧板において、
熱膨張率5ppm/K以下で無機水和物を含有しないセラミックから成る第1消弧板と、
無機水和物を含有する、樹脂あるいはセラミックからなる第2消弧板と、が、前記消弧板の面内方向において隣接して配設されて構成され、
前記第2消弧板は、1000℃のアークに暴露した際の水蒸気発生量あるいは熱分解ガス発生量の少なくとも一方が、前記消弧板1gあたり、1×10^-5mol以上に構成される、
消弧板。 - 前記消弧板において、前記第1消弧板は、前記接点に対して前記第2消弧板よりも近い位置に配設されて構成される、
請求項1に記載の消弧板。 - 前記第1消弧板の、該第1消弧板の体積全体に対する気孔率は、20%以上、50%以下である、
請求項1に記載の消弧板。 - 前記第1消弧板の、該第1消弧板の体積全体に対する気孔率は、20%以上、50%以下である、
請求項2に記載の消弧板。 - 前記第1消弧板は、1000℃のアークに暴露した際の水蒸気発生量あるいは熱分解ガス発生量の少なくとも一方が、前記消弧板1gあたり、1×10^-7mol以下に構成される、
請求項1に記載の消弧板。 - 前記第1消弧板は、1000℃のアークに暴露した際の水蒸気発生量あるいは熱分解ガス発生量の少なくとも一方が、前記消弧板1gあたり、1×10^-7mol以下に構成される、
請求項2に記載の消弧板。 - 前記第1消弧板は、1000℃のアークに暴露した際の水蒸気発生量あるいは熱分解ガス発生量の少なくとも一方が、前記消弧板1gあたり、1×10^-7mol以下に構成される、
請求項3に記載の消弧板。 - 前記第1消弧板は、1000℃のアークに暴露した際の水蒸気発生量あるいは熱分解ガス発生量の少なくとも一方が、前記消弧板1gあたり、1×10^-7mol以下に構成される、
請求項4に記載の消弧板。 - 電流が通電される導体と接続される、互いに切離可能な前記接点としての第1接点および第2接点と、前記第1接点と前記第2接点とが離間される電流遮断路において前記第1接点と前記第2接点との間に生じるアークを、前記第1接点および前記第2接点から離れる方向に誘導するように延在する第1アークランナーおよび第2アークランナーと、を備えた遮断器において、
前記第1アークランナーは、その一方の端部が前記第1接点側に配設され、
前記第2アークランナーは、その一方の端部が前記第2接点側に配設され、
前記第1アークランナーおよび前記第2アークランナーは、その他方の端部間の間隔が、前記第1接点および前記第2接点から離れるに従い広がるように配設され、
請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の前記消弧板が、該消弧板の前記第1消弧板側が前記第1接点および前記第2接点側に位置すると共に、その面内方向が、前記第1アークランナーと前記第2アークランナーとの間のアークの電路方向に沿うように配設される、
遮断器。 - 前記消弧板における前記第1消弧板と前記第2消弧板との境界は、前記第1アークランナーおよび前記第2アークランナーの一方の端部と、他方の端部との間の第1範囲内に設けられる、
請求項9に記載の遮断器。 - 前記第1消弧板と前記第2消弧板との前記境界の位置は、前記第1アークランナーと前記第2アークランナーとの間に生じるアークのアーク電圧に基づき、前記第1範囲内で調整される、
請求項10に記載の遮断器。
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